DE3128168A1 - "verfahren und vorrichtung zur zeittaktgesteuerten durchflussmessung nach dem beschleunigungsdruckverfahren" - Google Patents

"verfahren und vorrichtung zur zeittaktgesteuerten durchflussmessung nach dem beschleunigungsdruckverfahren"

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Description

INTERATOM 24.537.6
Internationale Atomreaktorbau GmbH
D-5O6O Bergisch Gladbach 1
Verfahren und Vorrichtung zur zeittaktgesteuerten Durchflußmessung nach dem Beschleunigungsdruckverfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zeittaktgesteuerten Durchflußmessung nach dem Beschleunigungsdruckverfahren, insbesondere auch bei hochtransienten Vorgängen sowie pulsierenden Strömungen. Zur Druchflußmessung und Geschwindigkeitsmessung von Strömungen sind viele Arten von Durchflußmessern bekannt. Abgesehen von Durchflußmessern mit mechanisch bewegten Zähl- oder Meßeinrichtungen gibt es Geräte, die den Differenzdruck zwischen zwei Stellen von verschiedenem Durchmesser des Leitungssystems als Maß für den Durchfluß verwenden. Ein bekanntes Beispiel für diese Art der Messung ist das Venturi-Rohr. Alle diese Meßgeräte sind nicht geeignet bei hochtransienten Vorgängen, d.h. bei sich schnell ändernder Durchflußmenge pro Zeiteinheit, genaue Meßergebnisse zu liefern. Eine Meßeinrichtung, die auch für stark schwankende Durchflußmengen geeignet ist, wird in der DE-OS 28 53 083 beschrieben. Dort sind in einem Rohr in Strömungsrichtung hintereinander ein Ultraschallsender und ein Ultraschallempfänger angeordnet. Durch Phasenvergleich zwischen den vom Sender ausgehenden Wellen und den vom Empfänger erzeugten Signalwellen wird die Information über Strömungsgeschindigkeit und Durchflußmenge gewonnen. Dieser Aufbau erfordert aber den Einsatz eines Ultraschallsenders, was mit zusätzlichem Aufwand und Störanfälligkeit verbunden sein kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchflußmessung, bei der die Nachteile der bisher bekannten Meßsysteme vermieden werden
Nw/Gu 23.06.81
5· *1Ρ 9*260Ε
-2- 24.537.6
und welches ohne Einspeisung von zusätzlichen Signalen auskommt. Darüber hinaus sollen in der Strömung keine mechanisch beweglichen Teile angeordnet sein. Trotzdem sollen Geschwinigkeit, Durchsatz und Ausflußmenge mit großer Genauigkeit, insbesondere auch bei hochtransienten Vorgängen, gemessen werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren gemäß dem TQ Hauptanspruch vorgeschlagen, üblicherweise werden'Flüssigkeiten als inkompressible und stationär strömende Medien behandelt, was verschiedene Vereinfachungen in den Strömungsgleichungen und in der Theorie der anzuwendenden Meßgeräte zur Folge hat. Bei hochtransienten Vorgängen ist diese Näherung aber nicht ohne weiteres akzeptabel, da sie zu erheblichen Fehlern aufgrund der vernachlässigten instationären Glieder in den Strömungsgleichungen führt.
Es läßt sich zeigen, daß in diesem Fall die Druckmessung an zwei in Strömungsrichtung hintereinanderliegenden Orten in der durchströmten Rohrleitung als Information zur Bestimmung aller signifikanten Größen der Strömung ausreicht, wenn die Druckmessungen in einem vorgegebenen Zeittakt mit Zeitschritt At durchgeführt werden. Dabei muß der Zeitabstand At zwischen zwei Messungen kleiner oder gleich dem Abstand L zwischen den Druckaufnehmern, dividiert durch die Schallgeschwxnigkeit c sein. Mit Hilfe einer Auswertelektronik und unter Ausnutzung der Meßergebnisse zur Zeit t - Δ t kann aus den Druckmeßwerten zur Zeit t die instationäre Strömungsgleichung kompressibler Medien gelöst werden. Dieses Verfahren benötigt keine zusätzlichen Schallerzeuger, es arbeitet mit den ohnehin in einer veränderlichen Strömung vorhandenen Druckschwankungen. Dementsprechend ist es besonders genau bei hochtransienten Vorgängen und pulsierenden Strömungen. Außerdem erfordert
. 6· *1Ρ 9U60E
-3- 24.537.6
es keine zusätzlichen Einbauten im Strömungsweg oder Veränderungen des Strömungsquerschnitts, wodurch die sonst übliche Gefahr einer Verschmutzung der Meßvorrichtung mit entsprechender Verfälschnung der Meßwerte völlig entfällt.
Als Anwendung für dieses Verfahren sind insbesondere Messungen der Kraftstoffzufuhr bei verschiedenen Antriebssystemen, Messungen von Blutströmungen im medizinischen Bereich und ähnliche Fälle vorgesehen.
Probleme bei einigen Anwendungsfällen können dann auftreten, wenn sich die Schallgeschwindigkeit c in dem strömenden Medium aufgrund verschiedener Einflüsse ändert. Durch Dichte- oder Temperaturschwankungen kann beispielsweise die Schallgeschwindigkeit c beeinflußt werden. Dieser Einfluß kann durch eine rechnerische Korrektur nach Bestimmung von Temperatur und Dichte eliminiert werden. Weitaus günstiger ist es, wie im Anspruch 2 vorgeschlagen, die Schallgeschwindigkeit auf direktem Wege in dem strömenden Medium in vorgebbaren Zeitabständen zu bestimmen. Die Auswerteelektronik speichert dann den jeweils aktuellen Wert der Schallgeschwindigkeit cals Konstante zur Lösung der Strömungsgleichungen. Aus der Schallgeschwindigkeit c wiederum können ggf. andere Parameter des strömenden Mediums bestimmt werden.
Der Anspruch 3 gibt ein Verfahren an, bei dem an drei in Strömungsrichtung hintereinanderliegenden Orten der durchströmten Rohrleitungen eine Druckmessung in Zeitabständen At. vorgenommen wird. Der zusätzliche Druckmeßwert in Verbindung mit den anderen kann zur Verbesserung der Genauigkeit und insbesondere zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit herangezogen werden. Da nach der Theorie drei Druckmessungen an verschiedenen Orten der durchströmten Rohrleitung eine Überbestimmung der Strömungsgleichungen ermöglicht, ist es auf diese Weise möglich, zusätzlich die Schallgeschwindigkeit zu bestimmen. Je nach den Anforderungen und angenommenen Näherungen in den Strcmungsgleichungen
ilP'9*260E-
-A- 24.537.6
ermöglicht diese dreifache Druckmessung auch eine Feststellung der Meßgenauigkeit und eine Bestimmung von Störeinflüssen.
5
Der vierte Anspruch gibt ein besonders einfaches Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeit, Durchsatz und Ausflußmenge an einer kompressiblen instationären Strömung an„Entscheidend bei diesem Verfahren ist, daß'die gewünschten Ergebnisse nicht nur aus der aktuellen Druckdifferenz zwischen zwei Meßaufnehmern gebildet werden, sondern insbesondere aus deren zeitlichem Verhalten. Die Auswertung der Druckmessungen erfolgt dabei unter Verwendung von analytischen Lösungen der Strömungsgleichungen, so daß umfangreiche Rechenschritte vermieden v/erden.
In den folgenden Ansprüchen wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den vorhergehenden Ansprüchen beschrieben. Dazu schlägt der Anspruch 5 vor, mehrere hochempfindliche Druckaufnehmer in der durchströmten Rohrleitung anzuordnen. Die Druckaufnehmer müssen an wenigstens zwei in Strömungsrichtung hintereinander im Abstand L liegenden Orten χ und χ angebracht werden. Ein Zeittaktgeber läßt die Druckmeßwerte nur in Zeitabständen At zur Auswerteelektronik gelangen. Dies kann beispielsweise mit Hilfe eines AND-GATTERS geschehen. Die Bedingung, daß Druckaufnehmer an wenigstens zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Orten liegen müssen, ergibt sich aus der Anzahl der freien Parameter in den Strömungsgleichungen. Aus Redundanzgründen können aber an jedem dieser zwei Orte mehrere Druckaufnehmer angebracht sein, wodurch eine größere Genauigkeit, eine Ermittlung der Meßgenauigkeit und eine geringere Empfindlichkeit gegen Ausfall einzelner Bauteile erreicht wird. Der Anspruch 6 sieht eine solche Anordnung vor, wobei die Summe der Meßwerte der Druckaufnehmer am Ort X1 und die Summe der Meßwerte der Druckaufnehmer am
-Ä- 24.537.6
Ort x„ in Zeitabständen t zur Auswerteelektronik weitergeleitet wird. Man könnte natürlich auch, je nach den Anforderungen an die Betriebssicherheit und Genauigkeit mehrere Auswertungen vornehmen und diese dann vergleichen.
Der Anspruch 7 beschreibt eine Vorrichtung, die auch geeignet ist, während der Messung immer die Schallgeschwindigkeit c neu zu bestimmen. Dazu wird ein weiterer Druckaufnehmer an einem in Strömungsrichtung hinter χ und x„ liegenden Ort x_ angebracht, wobei die Abstände zwischen diesen drei Orten gleich sein sollen. Durch diesen zusätzlichen Druckmeßwert kann ein weiterer Parameter in den Strömungsgleichungen bestimmt werden, welcher in diesem Falle die Schallgeschwindigkeit c sein soll. Dieses Verfahren eignet sich aber auch zur genauen Bestimmung anderer physikalischer Größen in einem strömenden Medium - wie z. B. der Temperatur und der Dichte, die man durch Umrechnung aus c erhalten kann.
Im 8. Anspruch wird vorgeschlagen, auch bei dem hier beschriebenen Verfahren eine Verengung der Rohrleitung zwischen x- und x-2 vorzunehmen, so daß das Rohrleitungsstück bei x^ von geringerem Querschnitt ist als bei x^.
Diese für ein einwandfreies Funktionieren der vorliegenden Erfindung nicht notwendige Bedingung kann die Meßgenauigkeit verbessern und u. U. die Baulänge begrenzen.
Auch der Anspruch 9 beschreibt eine Möglichkeit, die Meßgenauigkeit zu vergrößern. Dazu kann das Rohrleitungsstück zwischen x-j und X2 gekrümmt sein, wobei sich die Druckaufnehmer dann sinnvollerweise an der Außenseite der Kümmung befinden. Auf diese Weise wird ebenfalls die Druckdifferenz zwischen den beiden Punkten x-| und X2 vergrößert, was eine erhöhte Meßgenauigkeit zur Folge hat. Diese Maßnahmen sind allerdings hauptsächlich für den Fall sinnvoll, daß das Verfahren auch auf quasistationäre Vorgänge angewendet werden soll, für die es nicht in erster Linie gedacht ist.
■4- 24.537.6
Im folgenden sei nochmals kurz die Theorie der kompressiblen Rohrströmungen in akustischer Näherung dargelegt, wie sie zum Verständnis des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendig ist. Für eine ausführliche Darstellung sei auf die einschlägige Literatur verwiesen.
Die Lösung der Strömungsgleichungen einer kompressiblen Rohrströmung lautet in der sogenannten akustischen bzw. linearen Näherung (vergl. z.B. Landau, Lifschitz, Hydrodynamik, Akademie-Verlag, Berlin 1966):
p'(x, t) = P1 (x - et) + pr (x + et) + p ν (x, t) =. A P1(X - et) - 1 Pr(x + et)
p: Druck, p_: Anfangsdruck im System v: Geschwindigkeit (Anf angsgeschwindigkeit sei o) x: Ortskoordinate
t: Zeit
c: Schallgeschwindigkeit
j>: Fluid-Dichte
Die Indices 1 und r bezeichnen dabei eine von links bzw. rechts kommende Welle, deren Überlagerung den Gesamtwert von Druck und Geschwindigkeit liefert. Sind nun an zwei aufeinanderfolgenden Stellen X1 und x2 mit Abstand L im Rohr Druckaufnehmer angeordnet, so lassen sich aus ihren Meßwerten p(x-, t) und p(x2, t) sowie den Anfangsbedingungen pr(x, t) = 0 und P1(X, t)= 0 und pQ = Anfangsdruck im System = Meßwert zu Beginn des Durchflusses P1(X1 - et) und ρ (x0 + et) bestimmen:
P1(X1 - et) = P(X1, t) - pr [x2 + c(t - ^)] - po Pr(x2 + et) = p(x2, t) - P1 [x - c(t - L)] - po
Die Geschwindigkeit bei X1 beispielsweise ergibt sich dann Vermä9e:■><*,. « -jL [P1(X1 - et) - pr,x2 + ο {t - | Analog läßt sich die Geschwindigkeit bei x_ bestimmen.
-1- 24.537.6
Man erkennt,daß zur Geschwindigkeitsbestimmung jeweils die aktuellen Meßwerte erforderlich sind, ebenso auch
Größen, die aus den um At = ^ früher gemessenen Werten bestimmt wurden.
Durch geeignete Modifikationen der Ausdrücke für p, und ρ kann ggf. auch der Druckabfall auf Grund von Rohrreibung oder Einbauten im Rohr zwischen den beiden Druckmeßstellen berücksichtigt werden.
Selbstverständlich ließen sich die Meßergebnisse auch mit anderen Verfahren zur Lösung der Strömungsgleichungen in exakter oder linearisierter Form (etwa mit Finite-Differenzen- oder Finite-Elemente-Methoden) auswerten, wobei die Druckmessungen in Zeitabständen Lt = — durchgeführt und den Rechnungen als Randbedingungen vorgegeben werden.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren angegebene Bezeichnung "Beschleunigungsdruckverfahren" rührt daher, daß hierbei im wesentlichen Veränderungen in den axialen Druckgradienten gemessen werden, die vermöge der Strömungsgleichung die Fluid-Beschleunigung bewirken.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigen
Figur 1 in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Durchflußmessung,
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel· für die Anordnung mehrerer Druckaufnehmer an einem Ort der Rohrleitung und Figur 3 die Anordnung von drei Druckaufnehmern in jeweils gleichem Abstand in Strömungsrichtung hintereinander.
Die Figur 1 ist eine Rohrleitung 1 dargestellt, welche von einer Flüssigkeit durchströmt wird. In Kontakt mit der Flüssigkeit sind an den beiden Orten X1 und x„ im Abstand L Druckmesser 2,3 angeordnet, welche beispielsweise Piezo-Kristalle sein können. Ein Zeittaktgeber 4 läßt die
*\? 9U6DE
-ψ- 24.537.6
Druckmeßwerte von den Druckaufnehmern über AND-GATTER 5 in bestimmten Zeitabständen &t zu einer Auswerteelektronik gelangen. Die Auswerteelektronik löst nach einem der angegebenen Verfahren die Strömungsgleichungen und liefert so die Meßwerte für Geschwindigkeit, Durchsatz und Ausflußmenge, welche auf den Anzeigegeräten 7, 8 und 9 angezeigt werden.
Die Druckaufnehmer an den Orten X^ und x~ können aus Redundanzgründen oder zur Verbesserung der Genauigkeit auch aus mehreren Druckaufnehmern, welche über den Umfang der durchflossenen Rohrleitung verteilt sind bestehen. Figur zeigt eine Möglichkeit für die Anordnung solcher liehrfach-Druckaufnehmer. In diesem Falle sind Druckaufnehmer 21, 22, 23 und 24 auf einem Umfang des Rohres 11 verteilt. Je nach den Anforderungen an Sicherheit und Genauigkeit der Meßeinrichtung kann nun die Summe dieser Druckmeßwerte gebildet werden, bevor die weitere Verarbeitung erfolgt, oder es können mehrere getrennte Auswertungssysteme angeordnet werden, was bei erhöhten Sicherheitsanforderungen nötig sein kann.
In Figur 3 ist eine Vorrichtung dargestellt, bei der drei Druckaufnehmer 32, 33 und 34 in Strömungsrichtung hintereinander an der Rohrleitung 31 angeordnet sind. Die Druckaufnehmer befinden sich an den Punkten x-, x~ und X3, welche untereinander jeweils den Abstand L haben. Diese Anordnung eignet sich für eine Nacheichung der Schallgeschwindigkeit gemäß Anspruch 3, für Fälle bei denen sich Temperatur oder Dichte der Flüssigkeit in größerem Umfang ändern.
Leerseite

Claims (9)

  1. INTERATOM : 24.537.6
    Internationale Atomreaktorbau GmbH
    D-5060 BergischSladbach . 1
    ; : ; , " - - - -.' .-.-.■" -- ■-■-' .. :. - Verfahren und Vorrichtung zur zeittaktgesteüerten Durchflußmessung nach dem Beschieunigungsdruckverfahreri
    Schutzansprüche
    -; ' ■'■'■■'■■: ' Ί ■ ' : ~'\ : :" - ■■■■;' " "^ - " ( 1J Verfahren zur Messung von Geschwindigkeit, Durchsatz und Ausflußmenge an einer kompressiblen Strömung, insbesondere auch bei hochtransienten Vorgängen, unter Verwendung von in der durchströmten Rohrleitung angeordneten hochempfindlichen Druckaufnehmern,, ge k e η η ζ e ic h η et d u r c h folgende Merkmale:
    a) An wenigstens zwei in Strömungsrichtung hintereinander liegenden Orten der durchströmten Rohrleitung wird der Druck in gleichen zeitabständen At gemessen.
    b) Der Zeitabstand At zwischen zwei Messungen ist kleiner oder gleich dem Abstand L zwischen den Druckaufnehmern, dividiert durch die Schallgeschwindigkeit c.
    c) Die Mößwerte zur Zeit t werden jeweils "unter Ausnutzung der Meßergebnisse zur Zeit t -. &t von einer Auswerteelektronik zur Lösung der instatiönären Strömungsgleichung -"-"■;"-'. kompressibler Medien verarbeitet.' ;/ ;;v-
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, g e k e η η ζ e; i c h η e t d u r C h folgende Merkmale;
    a) Durch weitere Meßeinrichtungen wird die Schallgeschwindigkeit c in dem strömenden Medium in vorgebbaren ; Zeitabständen bestimmt. . , --.."..".."Λ" - :'.-■ ■-,; ■-'■ Λ: ::_: b) Der Zeittakt αt wird auf die gemessene ScfoaStgesehwin- ;."'" digkeit c nachgeeicht. "..--"-,.. 2 ':;'_-__ c) Die ÄuswerteelektroniSk speichert dfeiü,jeweils aktuellen
    23.O6.8T
    24.537.6
    Wert der Schallgeschwindigkeit c als Konstante zur Lösung der Strömungsgleichungen.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) Es wird eine Druckmessung an drei in Strömungsrichtung hintereinander liegenden Orten der druchströmten Rohrleitung in Zeitabständen At vorgenommen. b) Der zusätzliche Druckmesswert in Verbindung mit den anderen wird zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in der Auswerteelektronik herangezogen.
  4. 4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
    a) Die zur Bere chnung von Geschwindigkeit, Durchsatz und Ausflußmenge nötigen Zwischenwerte p-, und ρ zur Zeit t werden bei jedem Zeittakt aus den vorherigen Werten p, und ρ zur Zeit (t - Δ t) rekursiv bestimmt nach den Formeln:
    P1(X1, t) = P(X1, t) - Pr(x2/ t - Ät) - po ρ (x-, t) = p(x9, t) - P1(X1, t -at) - ρ mit den Anfangsbedingungen p,(x, t) = 0, ρ (χ, t) = 0 und ρ = Anfangsdruck im System.
  5. 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
    a) Es sind mehrere hochempfindliche Druckaufnehmer (2-, 3) in der durchströmten Rohrleitung (1) angeordnet.
    b) Die Druckaufnehmer sind an wenigstens zwei in Strömungsrichtung hintereinander im Abstand L liegenden Orten X1 und X2 angebracht.
    c) Es ist ein Zeittaktgeber (4) vorhanden, der die Druckmeßwerte nur in Zeitabständen ^t zur Auswerteelektronik gelangen läßt, wobei der Abstand L^ At χ c ist.
    24.537.6
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
    a) Es sind mehrere Druckaufnehmer am Ort X1 und ebenfalls am Ort X2 auf den Umfang der durchflossenen Rohrleitung ,verteilt.
  7. 7 ο Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) Es ist mindestens ein weiterer Druckaufnehmer (34) an einem im Strömungsrichtung hinter X1 und x_ liegenden Ort X3 angebracht.
    b) Der Abstand X1 - X2 und der Abstand X2 - X3 sind gleich.
  8. 8= Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
    a) Das Rohrleitungsstück ist bei x~ von geringerem Querschnitt als bei X1.
  9. 9._Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
    a) Das Rohrleitungsstück zwischen X1 und X2 ist gekrümmt.
    b) Die Druckaufnehmer befinden sich an der Außenseite der Krümmung.
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